基于波长调制-直接吸收光谱的CO分子2.3μm处谱线参数高精度测量

波长调制-直接吸收光谱(WM-DAS)结合了直接吸收光谱(DAS)可直接测量吸收率和波长调制光谱(WMS)高信噪比的优点，可用于测量气体分子吸收谱线的光谱参数。采用WM-DAS方法结合有效光程约为45 m的Herriott型长光程吸收池，在CO浓度为24.151μmol·L^-1、常温常压条件下，测量了CO分子中心频率为4 300.700 cm^-1谱线的吸收率，用Voigt线型(VP)函数对测量的吸收率进行拟合，结果表明对WM-DAS方法测量结果进行拟合所得的残差标准差比用传统DAS方法减小一半以上，证明WM-DAS方法的抗干扰能力比DAS更强。采用该方法与光程约为50 cm的吸收池结合，对CO分子在4 278～4 304 cm^-1波段的8条弱吸收谱线在不同压力下的吸收率进行测量，实验采用浓度为0.411μmol·L^-1的CO标准气体。分别采用VP、 Raution线型(RP)和quadratic-speed-dependent-Voigt线型(qSDVP)对测量所得吸收率进行拟合，得到CO分子与空气...     

波长调制-直接吸收方法在线监测大气中CH4和CO2浓度

波长调制-直接吸收光谱(WM-DAS),同时具有直接吸收光谱(DAS)的免标定、可测量吸收率函数的优点和波长调制光谱(WMS)高信噪比、抗干扰能力强的优点.本文利用免标定、高信噪比的WM-DAS方法结合长光程Herriott池,在常压常温条件下,对大气中CH4(6046.952 cm^-1)和CO2(6330.821 cm^-1)分子两条近红外吸收谱线的吸收率函数进行了测量,其光谱拟合残差标准差可达到5.6×10^-5.随后,采取WM-DAS方法结合Herriott池,对大气中CO2和CH4浓度进行了连续监测,并将其与高灵敏度的连续波腔衰荡光谱(CW-CRDS)测量结果进行比较.实验结果表明:本文采用的长光程WM-DAS与CW-CRDS方法测量结果一致,两组数据线性拟合相关性达到0.99,其中基于WM-DAS方法的CO2和CH4的检测限分别达到170 ppb和1.5 ppb,略高于CW-CRDS检测限,但其测量速度远高于CW-CRDS,并且具有系统简单、对环境要求低、可长期稳定运行等优点.     

基于波长调制-直接吸收光谱方法的CO分子1567 nm处谱线参数高精度标定

直接吸收光谱(DAS)可直接测量分子吸收率函数,并通过拟合吸收率函数确定待测气体参数.波长调制-直接吸收光谱(WM-DAS)在DAS基础上,结合了波长调制光谱(WMS)中谐波分析思想,利用傅里叶变换复现吸收率函数,可有效提高吸收率函数的测量精度.本文利用WM-DAS方法结合长光程气体吸收池,在室温低压条件下,对CO分子1567 nm处R5-R11近红外弱吸收谱线吸收率函数进行了精确复现,其拟合残差标准差低至3×10^-5,随后根据测得的吸收率函数对谱线的碰撞展宽、Dicke收敛以及速度依赖的碰撞展宽系数等光谱参数进行了高精度标定,并将其与高灵敏度的连续波腔衰荡光谱(CW-CRDS)测量结果进行了比较,实验结果表明该方法与CW-CRDS测量结果具有高度一致性,更具有系统简单、测量速度快、对环境要求低等优点.     

基于单一量子级联激光器的大气多组分气体（CO、N2O、H2O）同时测量方法

近红外波段的气体吸收强度低,不利于痕量气体的测量。利用分子在中红外波段的基频吸收特性,使用单个新型室温连续输出量子级联激光器（CW-QCL）结合波长调制光谱技术（WMS）和长程光学吸收池,建立了一套高灵敏度和高精度的大气多组分温室气体同时检测的激光光谱系统。该系统的输出波数范围为2202.8～2205.6 cm^-1,覆盖了CO、N₂O和H₂O的中心吸收谱线。实验测试结果表明：在1 s的时间分辨率下,CO、N₂O和H₂O的测量精度分别为1.83×10^-8,1.86×10^-9,1.19×10^-4;当满足最佳积分时间（100 s）时,系统的最低检测限可以达到1.8×10^-9（CO）,0.16×10^-9（N₂O）,1.5×10^-5（H₂O）。通过长时间测量和分析可知,所提系统部件简单,使用方便,满足大气多组分气体...     

利用可调谐半导体激光光谱技术对含尘气体中NH3的测量

利用可调谐半导体激光吸收光谱技术（TDLAS）并结合波长调制，在近红外波段1531.7nm处对常温常压下的NH₃进行浓度测量.在10m的长程吸收池内得到了25×10^-6的浓度信号，并且在25×10^-6—400×10^-6浓度范围内二次谐波信号与浓度具有良好的线性关系.讨论了粉尘颗粒对于二次谐波信号的干扰，并提出了利用激光强度线性拟合解决颗粒对气体测量干扰的方法. 关键词： 可调谐半导体吸收光谱 波长调制 3浓度测量')" href="#">NH₃浓度测量 颗粒影响     

氨气高精度激光光谱检测装置的设计及实现

氨气排放会对环境以及人体健康造成危害,因此对环境中氨气浓度的高精度监测显得尤为重要。本文基于具有高灵敏度、高响应速度等优点的离轴积分腔输出光谱技术(OA-ICOS)对氨气高精度检测装置进行设计。使用基长30 cm装有反射率为99.99%的高反镜的光学谐振腔作为气体吸收池,实现了近3 000 m的光程,将中心波长为1 528 nm的分布反馈式激光器(DFB)调谐至6 548.611 cm^-1和6 548.798 cm^-1附近,在常温18.6 kPa的气压下对1×10^-5～5×10^-5范围内NH₃进行了检测。测量结果表明NH₃浓度与信号幅值的线性拟合度R²可达0.999 79。使用Allan方差对实验数据进行分析得到13 s后系统的平均检测极限为9.8×10^-9,在103 s时系统的最低检测极限可达7×10^-9(S/N～1)。实验结果表明,该检测装置具有良好的稳定性与高灵敏度,满足对氨气高精度检...     

二极管激光腔衰荡光谱技术测量大气NO_2

介绍了在409 nm处采用二极管激光腔衰荡光谱(CRDS)技术探测大气中NO2的浓度(体积分数,下同)。通过调制二极管激光器参数,优化其输出光谱,获得NO2的有效吸收截面。探讨水蒸气、臭氧及其他痕量气体可能引起的测量干扰。时间分辨率为1 s时,系统探测限为6.6×10-11。考虑到NO2气体吸收截面和系统RL(衰荡腔长与腔内气体单次吸收光程长的比值)的不确定性,该系统的测量误差为±4.5%(1σ)。在实验室条件下,该系统和非相干宽带腔增强(IBBCEAS)系统同时测量NO2样气,将二者测量结果进行了对比,测量结果具有很好的一致性,线性拟合斜率为0.988±0.005,相关性为0.99。同时该系统被应用于实际环境大气中NO2浓度的测量,测得NO2浓度在1×10-8~5×10-8范围内,平均浓度为3.5×10-8。为了证实CRDS系统的测量结果,将其与长光程差分吸收光谱(LP-DOAS)系统测量NO2浓度的结果进行对比,二者获得了较好的一致性。实验结果表明,CRDS技术可实现大气中NO2高灵敏度、高时间分辨率的在线探测。     

基于TDLAS的近红外甲烷高灵敏检测技术

为增强甲烷气体检测技术的气体吸收率,提高检测灵敏度,利用可调谐二极管激光吸收光谱技术,采用中心波长为1 653.7 nm的分布反馈激光器作为光源,研制了有效光程为14.5 m的Herriott型气体吸收池,并采用波长调制光谱法进行甲烷气体浓度检测。结果表明,二次谐波峰值信号与甲烷气体浓度成较强的线性关系,线性度为0.998 52,检测下限为4.82 ppm;初始积分时间为1 s时的Allan方差为6.37 ppm;积分时间到112 s时,Allan方差为427 ppb,检测灵敏度为4.27×10^-7。     

基于2μm激光二极管和Herriott多光程吸收池的高灵敏二氧化碳气体传感器（特邀）

为了提高二氧化碳气体检测系统的测量空间分辨率并减小系统体积，设计了一种基于2μm激光二极管和Herriott多光程吸收池的高灵敏二氧化碳气体传感器。设计并加工了有效光程为2.6 m的Herriott池来进行光路折叠。使用中心波长为2μm的激光二极管，覆盖二氧化碳分子在4 989.9 cm^-1处的较强吸收线。采用波长调制技术减小系统的噪声。此外，为系统加载Kalman滤波技术来进一步提高探测灵敏度。实验结果表明，采用该传感器，系统的探测极限在1 s的积分时间下可达到0.18×10^-6，而经过自编程实时Kalman滤波后探测极限可达到0.13×10^-6，提高了27%。采用该传感器对室内二氧化碳浓度进行长达8 h的连续监测，并在暨南大学理工学院楼顶进行了24 h的二氧化碳浓度监测，证明了仪器的稳定性。     

基于量子级联激光光谱技术的HONO和N2O4气体检测

解析大气中HONO和N₂O₄的光化学循环及其来源,需要对其质量分数进行准确测量,而质量分数测量的前提是吸收线参数的准确度量。采用7.8μm室温连续量子级联激光器和长光程多次反射吸收池对实验产生的HONO和N₂O₄气体进行了同时测量,确定了两种气体的吸收线频率。根据已知的1280.4 cm^-1处trans-HONO的吸收线强,计算得到trans-HONO的质量分数为(0.72±0.04)×10^-6,相应的系统最低检测限为(11.15±0.50)×10^-9。利用中红外量子级联光谱技术同时对HONO和N₂O₄进行分析研究,所得到的谱线参数也为HONO和N₂O₄质量分数的实时监测、化学反应过程的分析等提供了重要的依据。     

Spectroscopy system based on a single quantum cascade laser for simultaneous detection of CO and CO_2

A quantum cascade laser(QCL) based system for simultaneous detection of CO and CO_2 is developed.The QCL can scan over two neighboring CO(2055.40 cm~(-1)) and CO_2(2055.16 cm~(-1)) lines with a single current scan.The wavelength modulation spectroscopy( f = 20 k Hz) is utilized to enhance the signal-to-noise ratio.A white cell with an effective optical path length of 74 m is used.The calibration of the sensor is performed and minimum detection limits of 1.3 ppb(1 × 10~(-9))for CO and 0.44 ppm(1 × 10~(-6)) for CO_2 are achieved.     

High-sensitivity methane monitoring based on quasi-fundamental mode matched continuous-wave cavity ring-down spectroscopy

Continuous-wave cavity ring-down spectroscopy (CW-CRDS) is an important technical means to monitor greenhouse gases in atmospheric environment. In this paper, a CW-CRDS system is built to meet the needs of atmospheric methane monitoring. The problem of mode matching is explained from the perspective of transverse mode and longitudinal mode, and the influence of laser injection efficiency on measurement precision is further analyzed. The results of cavity ring-down time measurement show that the measurement precision is higher when the laser is coupled with the fundamental mode. In the experiment, DFB laser is used to calibrate the system with standard methane concentration, and the measurement residual is less than ±4×10^-4 μs^-1. The methane concentration in the air is monitored in real time for two days. The results show the consistency of the concentration changes over the two days, which further demonstrates the reliability of the system for the measurement of trace methane. By analyzing the influence of mode matching, it not only assists the adjustment of the optical path, but also further improves the sensitivity of the system measurement.     

宽带腔增强吸收光谱技术应用于痕量气体探测及气溶胶消光系数测量

基于氙灯的非相干宽带腔增强吸收光谱系统, 并将其应用于痕量气体及气溶胶消光系数的测量. 该系统的探测灵敏度通过测量NO₂在520—560 nm波长范围内的吸收得到验证, 最小可探测灵敏度为1.8× 10^-7cm^-1 (1σ, 0.12 s积分时间, 50次平均), 对应的NO₂探测极限～33 nmol/mol. 结合标准气溶胶粒子发生系统, 测量了不同浓度的单分散硫酸铵气溶胶粒子在532 nm波长处的消光系数, 得到粒径为600 nm的硫酸铵气溶胶的消光截面为1.12× 10^-8cm², 与文献报道值1.167× 10^-8cm²相一致, 验证了气溶胶测量的可行性和准确性.     

基于单个量子级联激光器的大气多组分测量方法

利用单个新型中红外量子级联激光器作为激光光源,结合长程光学吸收池技术开展了大气多组分同时测量方法的研究.通过结合基于自适应性Savitzky-Golay滤波的数据处理算法,有效地提高了系统检测灵敏度和光谱分辨率.研究结果表明,在1 s的时间分辨率和1 atm压力条件下,采用二次微分探测技术可实现CO,N_2O和H_2O测量精度分别为8.20 ppb,7.90 ppb和64.00 ppm(1 ppb=10~(-9),1 ppm=10~(-6));通过提高信号平均时间,在最佳的积分时间(85 s)时,系统可实现的最小检测限分别为1.25 ppb(CO),1.15 ppb(N_2O)和35.77 ppm(H_2O).整个系统具有结构紧凑,成本相对较低,通过选择其他波段的量子级联激光器的激光光源,即可实现对其他分子的实时分析.本系统可广泛应用于大气化学等领域的应用研究.     

LiNbO3和LiTaO3晶体Er3+/Yb3+掺杂水热外延层室温吸收光谱分析

本文引入与浓度和厚度有关的k_NL待定参数, 在J-O理论基础上, 对Er³⁺/Yb³⁺掺杂的LiNbO₃和LiTaO₃单晶衬底上 的多晶水热外延样品进行了基于吸收光谱的拟合计算. LiNbO₃:Ω₂=2.34× 10^-20 cm², Ω₄=0.77× 10^-20 cm², Ω₆=0.31×10^-20 cm², k_NL=4.32× 10^-2 mol·m^-2. LiTaO₃:Ω₂=1.68×10^-20 cm², Ω₄=0.84×10^-20 cm², Ω₆=0.45×10^-20 cm², k_NL=9.17×10^-3 mol· m^-2. 该方法可尝试推广到粉体或胶体等难以直接获得浓度和厚度数据的体系. 经上转换发光测试及光谱参数计分析认为Er³⁺/Yb³⁺离子的掺杂浓度比为1:1的情况下, 样品呈现绿色上转换发光光谱; 可尝试以降低基质声子能量的方法提高⁴I_13/2能级 对²H_11/2和⁴S_3/2能级的量子剪裁效率.     

Applications of cavity ring-down spectroscopy to high precision isotope ratio measurement of 13C/12C in carbon dioxide

Recent measurements of carbon isotopes in carbon dioxide using near-infrared, diode-laser-based cavity ring-down spectroscopy (CRDS) are presented. The CRDS system achieved good precision, often better than 0.2 per thousand, for 4% CO2 concentrations, and also achieved 0.15-0.25 per thousand precision in a 78 min measurement time with cryotrap-based pre-concentration of ambient CO2 concentrations (360 ppmv). These results were obtained with a CRDS system possessing a data rate of 40 ring-downs per second and a loss measurement of 4.0 x 10(-11) cm(-1) Hz(-1/2). Subsequently, the measurement time has been reduced to under 10 min. This standard of performance would enable a variety of high concentration (3-10%) isotopic measurements, such as medical human breath analysis or animal breath experiments. The extension of this ring-down to the 2 microm region would enable isotopic analysis at ambient concentrations, which, combined with the small size, robust design, and potential for frequent measurements at a remote site, make CRDS technology attractive for remote atmospheric measurement applications.     

单光束多组分温室气体的腔衰荡光谱同步检测

腔衰荡光谱技术(CRDS)作为一种具有高灵敏度高光谱分辨率的检测方法已被广泛用于痕量气体检测。而目前基于CRDS痕量气体检测多针对单一气体进行测量或通过多个激光器产生的多光束进行多种组分气体浓度测量。利用DFB激光器波长可调谐特性,通过强弱吸收峰结合,使用单光束实现了多种温室气体的腔衰荡光谱技术同步检测。由于大气中水汽和二氧化碳浓度较高,为实现同一衰荡系统对三种温室气体的同步测量,在平衡吸收损耗的基础上,选取1 653~1 654 nm内甲烷的强吸收峰与水汽、二氧化碳的弱吸收峰进行测量。通过光谱叠加反演矩阵,分别得到甲烷、水汽、二氧化碳的浓度。在计算测量灵敏度过程中发现,通过去除衰荡过程初期的部分数据点(过滤区间),会对噪声等效吸收系数产生影响。多数情况下,在测量灵敏度计算方面,列文伯格-马夸尔特算法(L-M)会优于离散傅里叶变换法(DFT);但当衰荡曲线的单指数性下降时,上述结论不一定成立。搭建了一个低精细度(F≈6×103)衰荡腔对上述结论进行了实验验证。相较于用于测量温室气体浓度的高精细度衰荡腔(F≈1×105),低精细度衰荡腔的衰荡速率较快,衰荡曲线的单指数性明显低于高精细度衰荡腔。实验表明,在过滤区间长度较短时,采用DFT算法计算得到的噪声等效吸收系数会小于L-M算法得到的结果。当过滤区间长度增加时,L-M算法得到的结果优于DFT算法。在受过滤区间长度影响方面,DFT算法的波动性要明显小于L-M算法。根据Allan方差分析,在512次采样平均(约8 s)下的最小噪声等效吸收系数进行计算,该CRDS装置测量灵敏度为2.4×10-10 cm-1。在25 ℃标准大气压下,对应甲烷、水汽、二氧化碳的测量灵敏度分别为0.64 ppbv,3.5 ppmv和4.0 ppmv。基于该CRDS装置,通过单光束多波长测量方法,利用光谱叠加反演矩阵,测得大气中甲烷、水汽、二氧化碳浓度分别为2.018,3 654和526 ppmv;而采用经典CRDS单波长测量得到的甲烷、水汽、二氧化碳浓度分别为2.037,3 898和630 ppmv。通过与温控调节波长,逐点扫描得到的光谱吸收曲线进行对比,采用多波长测量得到气体浓度进行复合拟合的光谱曲线残差小于单波长测量得到气体浓度进行简单拟合的光谱曲线残差。     

开放式长光程傅里叶变换红外光谱系统在环境气体分析中的应用

设计了一套用于环境气体分析的长开放光路傅里叶变换红外光谱系统。该系统具有往返250 m的开放式长距离采样光程,使用一台分辨率为1 cm-1的傅里叶变换红外光谱仪测量采样路径内的大气透过率光谱,然后进行非线性最小二乘光谱拟合,计算出待测组分浓度。实验部分通过选择特定波段分析了污染空气中CH₄,CO,N₂O和CO₂的浓度,拟合残差的均方根误差小于1％。结果表明,该系统的结构简单,光路易于校准,环境适应性良好,测量速度快,采样范围广,可用于探测大气中一些重要的痕量和微量组分,开展较大区域的环境气体的监测和研究。